Исследования термоэмиссионных сборок ЯЭУ - Методы и импульные устройства для реакторных исследований

Глава 3.
МЕТОДЫ И АМПУЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ РЕАКТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МАТЕРИАЛОВ
И ПРОЦЕССОВ В УЗЛАХ И СИСТЕМАХ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ СБОРОК

1. Определение работы выхода эмиттера топливноэмиттерного узла при облучении в реакторе

Одним из важных параметров, характеризующих эффективность преобразования энергии в ЭГЭ и ЭГС, является вакуумная работа выхода электродов, и прежде всего, эмиттерной части топливно-эмиттерного узла. Однако данные лабораторных исследований эмиссионно-адсорбционных свойств материалов электродов следует с большой осторожностью применять для анализа петлевых реакторных испытаний ЭГС и, тем более, ядерно-энергетических испытаний ТРП Различие может быть связано с многообразием процессов на поверхности электродов, их неизотермичностью, процессами взаимодействия топлива и продуктов деления с эмиттерной оболочкой и коллектором. Кроме того, состояние поверхности электродов, а следовательно, и их работы выхода зависят от реальной конструкции ЭГЭ и ЭГС, в том числе, от типа и расположения газоотводного устройства (ГОУ) и используемых материалов других узлов ЭГС, например, коммутационной перемычки.

Рис. 3.1 Принципиальная схема ампульного устройства для реакторных испытаний топливно-эмиттерных узлов и макетов ЭГЭ: 1 — штанга, 2 — откачной патрубок; 3 — узел крепления измерительного коллектора, 4 — встроенный электроразрядный насос; 5 — распорные трубки; 6 — корпус ампулы; 7 — центрирующая втулка, 8 — изолятор, 9 — опорный цилиндр; 10 — кольцевой магнит; 11 — измерительный коллектор, 12 — охранный коллектор, 13 — сетка, 14 — эмиттер; 15 — нагреватель, 16 — направляющая втулка
Реакторные испытания ЭГС показывают, что использование UO2 в качестве топливной композиции в некоторых случаях повышает эффективность преобразования энергии. Лабораторные исследования эмиттеров, находящихся в контакте с UO2, показали, что их работа выхода φэ увеличивается за счет диффузии избыточного (нестехиометрического) кислорода на поверхность. Поэтому надежная информация об эмиссионных свойствах электродов ЭГЭ может быть получена лишь при непосредственном измерении, например, работы выхода φэ эмиттера макета ЭГЭ с топливом из UO2 в процессе облучения.
В той или иной мере оценка эмиссионно-адсорбционных свойств электродов, и прежде всего эмиттера, проводится при петлевых испытаниях ЭГС [29]. Делались попытки определения вакуумной работы выхода φэ0 при лабораторных исследованиях макетов ЭГЭ с топливом [124, 125]. Однако наиболее точная информация может быть получена при создании специального ампульного устройства для реакторных исследований макетов ЭГЭ или их топливно-эмиттерных узлов. Комплекс таких исследований был выполнен на реакторе ВВР-К Е.С. Бекмухамбетовым с сотрудниками применительно к программе создания энергонапряженных ЭГС [126, 127]. Принципиальная схема использованного ампульного устройства для реакторных исследований топливно-эмиттерных узлов или макетов ЭГЭ приведена на рис. 3.1.

Рис. 3.2. Топливно-эмиттерный узел для реакторных ампульных испытаний:
1 — ниобиевый коллектор; 2 — дистанционаторы 3 — топливный сердечник; 4 — элемент крепления; 5 —  измерительный стержень; 6 — перемычка; 7 — мембрана с отверстием для вывода ГПД, 8 — вольфрамовый эмиттер; 9 — изоляция измерительного зонда; 10 — измерительный зонд
Экспериментальная сборка и методика измерений. Для исследований был использован топливноэмиттерный узел плоскоцилиндрической геометрии, общий вид которого приведен на рис. 3.2. Эмиттерный узел диаметром 16 мм устанавливался в ниобиевый коллектор с зазором 0,5 мм, который обеспечивался дистанционаторами из высокотемпературной керамики. В коллектор был вмонтирован измерительный зонд, расположенный напротив центральной части торцевой поверхности эмиттера и изолированный от коллектора керамикой из А12О3. Эмиттерная оболочка крепилась к измерительному стержню с помощью перемычек, выполненных из танталовой фольги. В качестве топлива использовался UO2 90-процентного обогащения по 235Ό. Газообразные продукты деления урана выводились через ГОУ в виде отверстия диаметром 0,2 мм в крышке эмиттера. Аналогичное отверстие имелось и в мембране, расположенной над топливным сердечником. Для контроля температуры эмиттера на его крышке была установлена вольфрам-рениевая термопара ВР 5/20. Регулирование температуры эмиттера проводилось изменением нейтронного потока при перемещении экспериментальной сборки по высоте активной зоны реактора с помощью электромеханического привода, а температура коллектора регулировалась изменением давления гелия в зазоре системы теплосброса коллектора. Вакуум в экспериментальной сборке поддерживался турбомолекулярным насосом и встроенным непосредственно в испытательное устройство электроразрядным насосом.
Схема исследованных конструкций эмиттерно-коллектрного узла цилиндрической геометрии с ГОУ жиклерного типа с выводом ГПД через «горячий» торец приведена на рис. 3.3. В качестве коллектора использовался секционированный электрод, состоящий из трех измерительных зондов в виде дисков толщиной 2,3 мм, расположенных между охранными электродами.

Рис. 3.3. Конструкция эмиттерно-коллекторного узла для реакторных ампульных испытаний
1 — трубка для подачи гелия в систему теплосброса коллектора; 2 — дистанционатор, 3 — термопары коллектора; 4 — охранные электроды; 5 — корпус; 6 — охранная трубка; 7 — вывод охранных электродов; 8 — выводы измерительных электродов, 9 — коммутационная перемычка; 10 — дистанционаторы; 11 — слой ниобия, 12 — измерительные электроды, 13 — термопара коллектора, 14 — несущая трубка, 15 — слой А12О3; 16 — топливный блок; 17 — ГОУ, 18 — эмиттер, 19 — ловушка для конденсата топлива, 20 — трубка для откачки нижней части электродного узла

Зазор между измерительными и охранными электродами шириной 0,1-0,2 мм обеспечивался дистанционаторами из А12О3. В верхнем и нижнем охранных электродах были установлены дистанционаторы из Sc2O3, обеспечивающие МЭЗ равный 0,5 мм. Напротив ГОУ была установлена фольга для улавливания вынесенной из ГОУ топливной композиции Полость ЭГЭ вакуумировалась выносной вакуумной системой петлевой установки реактора ВВР-К. Для обеспечения требуемого вакуума в зоне измерений в верхнюю часть экспериментальной сборки был встроен специально сконструированный электроразрядный насос (128).
Температура коллектора регулировалась изменением давления гелия в системе теплосброса. Температура эмиттера определялась в трех зонах (верх, середина, низ) методом задержки эмиссионного тока на измерительные коллекторы с учетом тока по изоляции и так называемого «фонового» тока реактора.
Для определения вакуумных термоэлектродных характеристик использовался метод измерения тока I на коллектор в задерживающем поле. Температуру Тэ определяли из зависимости lg I от напряжения задержки Uзд, полученной с учетом «фонового» тока, вызванного излучением реактора, и тока утечки через дистанционаторы. Вакуумную работу выхода эмиттера φэ0 определяли методом полного тока, а вакуумную работу выхода коллектора φκ0 — по найденной из зависимости 1g I(Uзд) контактной разности потенциалов и известному значению φэ0. За критерий достоверности определения Тэ принималось наличие в зависимости 1g I(Uзд) протяженного в пределах более двух декад по току прямолинейного участка, позволяющего определить Тэ с погрешностью менее 1%.
Внутриреакторные исследования топливно-эмиттерных узлов показали, что на поверхности как эмиттера ТЭУ, так и коллектора протекают сложные процессы, которые не всегда позволяют однозначно трактовать получаемые результаты. Поэтому параллельно проводились лабораторные исследования конструкций электродных узлов, практически идентичных используемым при реакторных испытаниях, за исключением того, что эмиттер нагревали с помощью электронагревателей (103]. Съем ВАХ и их анализ проводили с помощью АСНИ на базе микропроцессорной КАМАК-системы (116).

Рис. 3.4. Зависимость работы выхода эмиттера топливно-эмиттерного узла от температуры при реакторных испытаниях:
1 — герметичная эмиттерная оболочка, 2 — эмиттерная оболочка с ГОУ жиклерного типа, 3 — то же после выдержки при низких температурах
В качестве примера на рис. 3.4 приведены зависимости φэ0 (Тэ), полученные в результате исследования трех топливно-эмиттерных сборок. Отметим, что значение φэ0 оказалось существенно выше табличного для поликристаллического вольфрама и сильно зависело от Тэ. График рис. 3.4 имеет характерный вид зависимости φэ0 от Тэ при адсорбции кислорода на вольфраме, который попадал на рабочую поверхность эмиттера в результате миграции из топливного сердечника (вследствие поверхностной диффузии из зоны отверстия для вывода ГПД). Показано, что десорбирующийся с эмиттера кислород увеличивает работу выхода ниобиевого коллектора при Тк = 800-1100 К. Топливо и продукты его деления не вызывают уменьшения работы выхода электродов при исследованных режимах (Тк > 770 К, Тэ > 1970 К).

Методы и устройства для определения теплопроводности топливных композиций в реакторных условиях

Теплопроводность топливного материала (ТМ) относится к структурно чувствительным свойствам, зависящим от ряда факторов: температуры, плотности, стехиометрического состава, технологии изготовления и т.п. Поэтому определение теплопроводности UO2 в исходном, например, спеченном, состоянии может существенно отличаться от ее значения в рабочем состоянии, так как в высокотемпературных твэлах, каким является и термоэмиссионная ЭГС, происходит переконденсация топлива с перестройкой структуры топлива, изменением плотности, стехиометрии и другими эффектами, существенно влияющими на теплопроводность. Поэтому разработчиками ЭГС предпринимались попытки непосредственного определения теплопроводности ТМ в термоэмиссионных ЭГЭ или их макетов при облучении в реакторе.
Определение теплопроводности с помощью макета ЭГЭ. На основе опыта создания и реакторных испытаний теплофизических макетов (ТФМ) петлевых каналов, оснащенных высокотемпературными калориметрами, в (130) предложен оригинальный метод определения теплопроводности ТМ. Отметим, что результат не зависит от исходного и рабочего состояний ТМ.
Метод определения теплопроводности λ оксидного ТМ для вентилируемого твэла включает в себя размещение ТЭУ с ГОУ и таблетками из UO2 или целиком топливного сердечника из UO2 в специальном ампульном устройстве, оснащенном высокотемпературными калориметрами, а также реакторные испытания устройства. В процессе испытаний ТЭУ или твэла измеряются плотность тепловой мощности qv в ТМ сердечнике и температура оболочки твэла Тэ,К. Далее определяют скорость выноса J, кг/с, ТМ из твэла через систему вентиляции, измеряют тепловыделение q, Вт/см³, в конденсате ТМ, вышедшем из твэла, и давление Р парогазовой смеси в системе вентиляции, производят выдержку при постоянной тепловой мощности в течение времени Δτ, с, удовлетворяющего неравенству

где bq— погрешность измерения тепловой мощности, выделяемой конденсатом ТМ, вышедшим из твэла, Вт; р — плотность ТМ, кг/м³; R — суммарное сопротивление системы вентиляции, 1/м; А, В — коэффициенты, зависящие от вида ТМ (для UO2 А - 1,68· 1032, В - 7,4 · 108); rс — радиус топливного сердечника, м; ε — относительное объемное содержание ТМ в твэле.
Для реализации метода необходимо создание ампульного устройства, оснащенного двумя калориметрами интегрального теплового потока, один из которых должен измерять тепловыделение в ТМ сердечнике, а второй — тепловыделение в переконденсировавшемся ТМ. Схема такого устройства приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Схема определения коэффициента теплопроводности топлива в переконденстровавшемся состоянии при реакторных испытаниях:
1 — слой вынесенного из сердечника топливного материала; 2 —  трубка ГОУ; 3 — топливо в сердечнике после завершения процесса переконденсации, 4 — эмиттерная оболочка, 5 — коллектор; 6 —  коллекторная изоляция, 7 — несущая трубка; 8, 9 — измерители тепловой мощности; 10 — дистанционатор; 11 — жиклер ГОУ

Рис. 3.6. Схема топливно-эмиттерного узла в рабочем состоянии и распределение температур по эмиттерной оболочке:
1 — эмиттерная оболочка; 2 — топливный материал; 3. — газоотводная трубка, 4 — свободный торец; 5 — торец с коммутационной перемычкой; ls — длина конденсата топливного материала на газоотводной трубке; rт и lт — соответственно радиус и длина газоотводной трубки, rэ и Lэ — радиус и длина эмиттера соответственно, Tэ — распределение температуры по эмиттерной оболочке
Определение теплопроводности в простом ампульном устройстве при наличии нейтронной радиографии. В (131) предложен метод определения теплопроводности оксидного топливного материала, который может быть использован как при ампульных испытаниях, так и при реакторных испытаниях ЭГС в составе петлевых каналов при наличии нейтронной радиографии. На рис. 3.6 приведена конструкционная схема топливно-эмиттерного узла в рабочем состоянии, где обозначены параметры, необходимые для реализации способа, и приведено характерное распределение температур по оболочке ТЭУ.
Метод предусматривает реакторные испытания топливно- эмиттерного узла (или ЭГЭ в составе ЭГС) с газоотводной трубкой. Испытания проводят в вакуумном режиме, когда скорость переконденсации ТМ максимальна. Уровень температур эмиттерной оболочки должен соответствовать режиму термовакуумной подготовки ЭГС при петлевых испытаниях, т.е. быть равен примерно 2000—2100 К В процессе испытаний происходит переконденсации ТМ, в результате чего он принимает форму, изображенную на рис. 3.6.
После окончания испытаний (или фиксации окончания переконденсации ТМ), ампулу извлекают из ячейки реактора и проводят нейтронную радиографию.

После регистрации Ks с помощью нейтронной радиографии ампульное устройство вновь может быть загружено в ячейку реактора, проведены испытания в других режимах, например, температурных, и аналогичным образом снова определена теплопроводность ТМ.

Методы и средства исследования процессов переконденсации оксидного топлива

В качестве ядерного топлива ЭГС, как уже отмечалось, используется обычно диоксид урана вследствие его высокой химической стабильности, совместимости с применяемыми материалами оболочек твэлов, размерной стабильности при облучении, высокой температуре плавления, простоты получения. Важным преимуществом диоксида урана является также его универсальность использования для ЭГС, работающих в разных режимах (от режима на пониженном уровне мощности до форсированных режимов). Однако высокая скорость испарения диоксида в сравнении с другими видами ядерного топлива требует исследования процессов массопереноса топлива как в топливно-эмиттерных узлах вентилируемых твэлов, так и в трактах вывода ГПД.
Основными задачами таких исследований должны являться:

1. определение конфигурации центральной газовой полости

(ЦГП) и регистрация местонахождения отверстия жиклера ГОУ относительно этой полости как после завершения переконденсации топлива, так и в процессе переконденсации для различных конструкционных решений ТЭУ и различных режимов работы;

1. определение времени переконденсации с оценкой времени неработоспособности ГОУ;
2. определение выноса топлива через газоотводное устройство с регистрацией места конденсации топлива и оценкой влияния вынесенного топлива на работоспособность других узлов ЭГС, в частности, на систему дистанционирования;
3. оценка влияния процессов переконденсации топлива на снижение суммарного ресурса ТЭУ и, следовательно, ЭГС.

Исследования процессов массопереноса диоксида урана в ТЭУ ЭГС могут быть проведены несколькими методами:

1. математическим моделированием процессов массопереноса топлива внутри ТЭУ. Методики и результаты такого исследования содержатся, например, в [32, 51, 132—137];
2. оперативным методом нейтронной радиографии испытанных ЭГС или моделей ЭГЭ и ЭГС [95, 138, 139];
3. в результате «разделки» испытанной ЭГС в «горячих» камерах [51, 52, 140].

Возможно также косвенное исследование рассматриваемых процессов из анализа температурных полей систем теплосброса ПК.
Наиболее полные и качественные результаты даст нейтронная радиография, которая позволяет изучать поведение топлива в сердечниках до начала испытаний, в процессе испытаний и после их проведения. Анализ результатов нейтронно-графических исследований процессов массопереноса в ТЭУ энергонапряженных ЭГС содержится в [138, 141].
Метод определения максимальной температуры оксидного топлива после переконденсации в сердечнике вентилируемого топливно-эмиттерного узла. В [142] предложен метод определения максимальной температуры оксидного топлива (после переконденсации) в сердечнике топливно-эмиттерного узла (ТЭУ) термоэмиссионного ЭГЭ с использованием специального ампульного устройства, оснащенного высокотемпературными калориметрами. Метод не требует предварительного определения температуры эмиттера Т3 и результаты не зависят от исходного и рабочего состояний ТМ и теплофизических свойств материалов эмиттера и коллектора. В процессе испытаний измеряют зависимости тепловыделения Q в ТЭУ и тепловыделения q конденсата топлива, вышедшего из сердечника, от времени; по этим зависимостям определяют скорости изменения для интересующего момента времени, измеряют давление р парогазовой смеси в межэлектродном зазоре ЭГЭ, а оценку максимальной температуры топлива в сердечнике твэла проводят по выражению

где M0— начальная масса топлива в твэле, г; R — суммарное газодинамическое сопротивление газоотводного устройства, 1/мм; А, В — коэффициенты, зависящие от вида топливного материала (для UO2 А = 1,68 · 1032; В = 7,4 · 108); р — давление парогазовой смеси, Па; τ — время, с.
Для реализации этого метода необходимо создание ампульного устройства, аналогичного описанному (см. рис. 3.5) и оснащенного двумя калориметрами интегрального теплового потока, один из которых должен измерять тепловыделение в ТМ сердечника, а второй — тепловыделение в переконденсировавшемся ТМ.
Метод и ампульное устройство для определения скорости выноса оксидного топливного материала через систему вывода газообразных продуктов деления. Одним из факторов, определяющих ресурс ЭГС с оксидным топливом, является вынос топлива через систему вентиляции ГПД топливно-эмиттерного узла с конденсацией топлива на торце соседнего ЭГЭ с появлением соответствующих утечек тока, снижения мощности и КПД, т.е. с возникновением отказа типа «деградация характеристик». Поэтому определение скорости выноса топлива через систему вентиляции ТЭУ, а следовательно, и ресурса работы ЭГС, является важной задачей при создании энергонапряженных ЭГС.

Рис. 3.7. Схема ампульного устройства для реакторных исследований процессов переконденсации топлива в топливно-эмиттерных узлах с ГОУ:
1 — цилиндрический корпус; 2 — калориметр, 3 — зазор между корпусом и калориметром, 4 — патрубок для подсоединения к вакуумной системе; 5 — вынесенное переконденсировавшееся топливо, 8 — теплоизолирующие дистанционаторы, обеспечивающие зазор 9 между ТЭУ и калориметром; 10 — высокочувствительный калориметр; 11 — топливно-эмиттерный узел, содержащий эмиттерную оболочку 12, топливный сердечник 13, газоотводное устройство 14 с жиклером 15, дополнительную торцевую крышку 6 с газовым патрубком 7; 16 — высокотемпературная термопара

В [143] предложен метод определения скорости выноса оксидного топлива через ГОУ ТЭУ в ампульном устройстве, аналогичном описанному выше, которое оснащено высокотемпературными калориметрами (рис. 3.7). Отметим, что при использовании этого метода не требуется предварительного определения температуры топлива, и результаты не зависят от состояния топлива. Метод предусматривает в процессе реакторных испытаний измерение зависимостей от времени тепловыделения Q в топливно-эмиттерном узле и тепловыделения qконденсата топлива, вышедшего через систему вентиляции и сконденсировавшегося вне топливно-эмиттерного узла. По этим зависимостям оценивают для момента времени τi скорость изменения тепловыделения в ТЭУи в конденсате топлива, а скорость выноса топлива mi через систему вентиляции в момент времени τi определяют по выражению

где М0 — начальная масса топлива в топливно-эмиттерном узле; Q— тепловыделение в ТЭУ в момент времени— тепловыделение конденсата топлива, вышедшего из ТЭУ через систему вентиляции в момент времени

1. Реакторные устройства для исследования процессов распухания топливных композиций при высоких температурах

Несмотря на достаточно большой объем экспериментальных данных и теоретических исследований (32, 95), высокотемпературное распухание UO2 для условий, типичных для работы термоэмиссионных ЭГС, в настоящее время все же изучено недостаточно. 
Так, отдельные работы не согласуются как по величине газового распухания, так и по качественной зависимости от эксплуатационных параметров. Возможные причины этого могут состоять в том, что использованы различные количественные показатели объемных изменений топлива, а именно по изменениям плотности и внешних размеров образца. В то же время при расчете деформационного поведения топливно-эмиттерного узла ЭГС необходимы оба показателя, так как изменение внешнего размера тепловыделяющего сердечника определяет скорость нагружения оболочки ТЭУ, а плотность UO2 — сопротивление ползучести сердечника. Поэтому необходимо одновременное определение обоих количественных показателей объемных изменений топлива для получения более полной картины радиационного поведения UO2 при высоких температурах и соответственно повышения точности прогноза ресурса ЭГС.
Реакторные исследования процессов распухания ТМ как свободного, так и в составе топливно-эмиттерных узлов, в том числе при наличии ГОУ различных типов, применительно к программе создания термоэмиссионных ЭГС, проводились в НИИ НПО «Луч» (98, 145, 146), в ФЭИ (37, 147, 148), в Свердловском филиале НИКИЭТ (149), в РНЦ «Курчатовский институт» (32, 150) и за рубежом (95). Ниже изложены некоторые методы и ампульные устройства для проведения этих исследований.
Ампульное устройство для исследования свободного распухания топливной композиции. В (145, 146] для решения этой задачи предложено ампульное облучательное устройство, обеспечивающее возможность получения дискретных значений свободного распухания и соответствующего состояния структуры диоксида урана в зависимости от выгорания. Это достигается за счет последовательного введения в зону облучения образцов UO2. Для выбора оптимального временного шага, с которым осуществляется ввод образцов, постоянно должен измеряться выход ГПД из отдельного топливного образца, облучающегося при тех же условиях.
Схема ампульного облучательного устройства представлена на рис. 3.8. Цилиндрические образцы в тонкостенных оболочках из монокристаллического молибдена размещены в капсуле в среде инертного газа. Полости образцов и капсулы выполнены сообщающимися для разгрузки оболочек от одностороннего давления. Зазор между оболочками и корпусом капсулы выбран достаточно большим, чтобы распухание образцов не влияло на их температуру. 

Рис. 3.8. Схема ампульного устройства для реакторных исследований распухания топливных образцов:
1 — топливный образец; 2 —  оболочка из молибдена; 3 —  капсула; 4 — компенсационный объем; 5, 6 — соответственно капсула и образец UO, для изучения выхода ГПД, 7 — газовые коммуникации, 8 — термометрические датчики; 9 — датчики нейтронного потока; 10 — привод

Рис. 3.9. Ампульное устройство для сравнительных исследований свободного распухания топлива при облучении в реакторе: 1 — камеры дополнительного объема; 2 —  топливные образцы; 3 — тонкостенные негерметичные оболочки; 4 — пеналы с реперными металлами; 5 — оболочки капсул; 6 — чехол ампулы

Капсула снабжена компенсационной емкостью, объем которой должен быть выбран из условия постоянства температуры при облучении на образцах при снижении энерговыделения в образцах за счет выгорания урана и выхода в теплопередающий зазор криптона и ксенона. В автономных капсулах 5 размещены неочехлованные образцы 6 из UO2 для измерения выхода ГПД. Газовые коммуникации должны обеспечить соединение капсулы 5 с γ-спектрометрическим стендом, анализирующим количество и состав вышедших радионуклидов ксенона и криптона. Для контроля температуры на образцах установлены термометрические датчики. Энерговыделение в образцах контролируется β-эмиссионными датчиками нейтронного потока. Введение образцов в зону облучения и согласование условий облучений с образцами 6 осуществляется автономными приводами 10. Одновременное размещение в устройстве нескольких капсул 3 и соответствующих им капсул сопровождения 5 позволяет проводить сравнительные испытания различных модификаций UO2 или реализовать различные температурные условия облучения. Ампульное устройство позволяет также определить скорость распухания UO, различных структур (считается, что в ЭГС распухание с равноосной структурой вызвано, в основном, накоплением пузырьков ГПД по границам зерен, а при столбчатой структуре — образованием мелких внутризеренных пузырьков).
Простая модификация ампульного устройства для исследования свободного распухания топливной композиции. На рис.3.9 представлена упрощенная модификация устройства для сравнительных испытаний топлива на распухание. Ампула разработана под испытательный канал диаметром 28 мм, не инструментирована и не требует стендового обеспечения. В ней размещаются разнообразные образцы UO2, очехлованные негерметичной тонкостенной (0,15 мм) оболочкой из монокристалла молибдена. Использование тонкостенной пластичной оболочки не сдерживает свободное распухание керамических топливных сердечников. Очехлованные образцы коаксиально размещены в капсулах из нержавеющей стали с зазором, размер и заполнение которого определяются параметрами облучения. Каждая капсула снабжена дополнительной камерой, соединенной с теплопередающим зазором. Между топливными образцами размещены пеналы с реперными металлами (палладием, ванадием и никелем) для уточнения уровня температур на образцах на этапе послереакторных исследований. На топливных образцах может быть реализовано энерговыделение 80—460 Вт/см³ при температуре на оболочках 1800—2200 К.

Рис. 3.10. Ампульное устройство для реакторных исследований совместного распухания топлива в прочной оболочке, имитирующей работу ЭГЭ:
1,7— внешние терморегулирующие зазоры; 2 — торцевые экраны; 3, 8 — внутренние терморегулируемые зазоры, 4 — негерметичная оболочка топливного образца; 5 — водяная полость; 6 — топливные образцы; 9 — корпус ампульного устройства; 10 — пневмоклапан; ДПЗ-1, ДПЗ-2 — датчики нейтронного потока; Т1-Т6 — датчики температуры
Требуемый уровень энерговыделения на каждом образце обеспечивается подбором обогащения образцов UO2 с учетом нейтронофизических характеристик исследовательского реактора.
Ампульное устройство для изучения совместного свеллинга системы топливо- эмиттерная оболочка. Более сложной является другая модификация устройства, предназначенного для изучения свободного распухания и совместного свеллинга системы топливо-оболочка (рис. 3.10). В двух автономных рабочих участках ампулы размещается шесть образцов цилиндрической формы диаметром 18 и высотой 50 мм, покрытых негерметичными оболочками из тугоплавких металлов толщиной 0,2—0,15 мм. Образцы размещены коаксиально в высокотемпературной капсуле из сплава ВН-1. Капсула снабжена газовыми коммуникациями, сообщенными со стендом, для начального заполнения инертными газами или их смесью. На газовых коммуникациях установлены пневматические клапаны для герметизации капсулы при проведении испытаний. Высокотемпературная капсула размещена в оболочке из нержавеющей стали и образует с ней радиальный зазор, предназначенный для регулирования температуры на образцах заменой смеси инертных газов с различной теплопроводностью. На рабочих участках расположены приборы для измерения температуры и нейтронного потока. 
Тепловая схема ампульного устройства позволяет облучать образцы при тепловыделении 60-240 Вт/см³ и температурах на оболочках образцов 1600-2200 К. Устройство разработано для использования в облучательном канале диаметром 60 мм, т. е. оно соответствует ячейкам большинства исследовательских реакторов. В отличие от предыдущего рассматриваемое устройство является инструментированной ампулой и позволяет регулировать параметры облучения при испытаниях, однако требует стендового обеспечения и более сложно в эксплуатации.